類(lèi)器官是一種由不同類(lèi)型干細胞通過(guò)自組織方式制備，能夠模擬原生器官結構和功能的一類(lèi)三維“微器官模型”。相比傳統的二維培養模型，類(lèi)器官代表著(zhù)一種能夠概括整個(gè)生物體生理過(guò)程的創(chuàng )新技術(shù)，具有更接近生理細胞組成和行為、更穩定的基因組、更適合于生物轉染和高通量篩選等優(yōu)勢。而與動(dòng)物模型相比，類(lèi)器官模型的操作更簡(jiǎn)單，還能用于研究疾病發(fā)生和發(fā)展等機理。

       類(lèi)器官的制備可以利用體細胞、成體干細胞（包括祖細胞）或多能干細胞。2009年，腸道器官模擬技術(shù)率先取得突破，研究人員發(fā)現，成人腸道干細胞可以在體外增殖和自發(fā)組織化。其特征是能夠表達LGR5，這是一種編碼Wnt激動(dòng)劑R-spondin受體的基因，同時(shí)需要特定的分子圍繞在旁，如Wnt、表皮生長(cháng)因子和noggin。以此為理論基礎，研究人員開(kāi)發(fā)了一種三維培養體系，能夠在體外重建腸道干細胞的適宜環(huán)境，并從腸道上皮細胞或單個(gè)LGR5+干細胞分化出具有自我更新能力、保持腸道腺窩絨毛狀結構的類(lèi)器官。該模型可以持續擴增達3個(gè)月，穩定的基因組保證了純化和生產(chǎn)放大等優(yōu)勢，此后這種方法被用于從其它主要器官上皮組織制備各種類(lèi)器官。

       除了成體干細胞，多能干細胞（包括誘導干細胞和胚胎干細胞）也可以利用其自我更新及分化能力來(lái)制備類(lèi)器官。由于從多能干細胞中提取的類(lèi)器官是通過(guò)同質(zhì)群體定向分化而形成的，因此必須在一個(gè)喚醒胚胎發(fā)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程中重新創(chuàng )造組織特異性細胞類(lèi)型及其微環(huán)境。因此，多能干細胞類(lèi)器官培養必須在分化過(guò)程中提供合適的生態(tài)位信號。由于這一過(guò)程較復雜，多能干細胞類(lèi)器官往往含有不同于模型器官的細胞類(lèi)型，使靶組織的信號環(huán)境和自組織復雜化。

       類(lèi)器官模型的應用

       1.建立疾病模型

       與二維培養體系相比，類(lèi)器官有助于闡明疾病的發(fā)展、穩態(tài)和發(fā)病機制，為疾病的診斷和治療提供可能的新方法。以大腦類(lèi)器官為例，它包括了人類(lèi)特定的神經(jīng)發(fā)生過(guò)程，為研究人類(lèi)大腦發(fā)育提供了寶貴的機會(huì )。這種類(lèi)器官模型生長(cháng)在一個(gè)微加工的腔室中，可以進(jìn)行長(cháng)期的原位成像，目前已被用于模擬皮質(zhì)折疊，以及平腦癥的發(fā)病機制研究。平腦癥是由LIS1突變引起的。有研究表明，利用平腦癥患者的誘導多能干細胞制備的大腦類(lèi)器官，其外橈神經(jīng)膠質(zhì)細胞存在有絲分裂缺陷，這在小鼠模型中很少出現。大腦類(lèi)器官還被用來(lái)研究Zika病毒，這種病毒能夠優(yōu)先感染神經(jīng)祖細胞，降低其增殖和生存能力，這可能是Zika病毒造成頭部畸形的一個(gè)重要原因。

       2.抗癌藥物篩選

       多種原發(fā)性腫瘤如結腸癌、前列腺癌、乳腺癌、胰 腺癌等細胞均已培養出對應的類(lèi)器官，這些“類(lèi)腫瘤器官”已經(jīng)成為重要的臨床前篩選模型，能夠預測個(gè)體患者對療法的反應。例如，在臨床試驗中，轉移性胃腸道癌癥患者的腫瘤類(lèi)器官再現了這些患者對抗癌藥物的反應。

       腫瘤類(lèi)器官也可用于腫瘤生態(tài)依賴(lài)的研究，通過(guò)對不同級別結直腸腫瘤類(lèi)器官研究顯示，在從正常組織到腺瘤再到癌的轉變過(guò)程中，對生態(tài)因子的依賴(lài)性是逐漸降低的，而生態(tài)因子依賴(lài)性主要與腫瘤的基因組成有關(guān)。因此可以說(shuō)，腫瘤類(lèi)器官是一種將腫瘤相關(guān)基因組數據與腫瘤生物學(xué)聯(lián)系起來(lái)的手段，為藥物篩選和個(gè)性化治療提供研究基礎。

       3.藥物不良反應研究

       藥物不良反應，特別是器官**是藥物開(kāi)發(fā)失敗和上市后撤回的主要原因，目前通用的細胞篩選和動(dòng)物模型篩選常常不能準確預測人體的不良反應發(fā)生。腎 臟和肝 臟**是最常發(fā)生的器官**，而人工制備的腎 臟和肝 臟類(lèi)器官可以為**預測提供更準確的手段，其中腎 臟類(lèi)器官已被證明可以闡釋順鉑和慶大霉素帶來(lái)的腎**。

       類(lèi)器官在不良反應研究中的優(yōu)勢還體現在遺傳穩定性和高通量篩選的重現性。例如，人類(lèi)腎元祖細胞在三維培養中具有近乎無(wú)限的自我更新能力，這對于腎**篩選的標準化是一大幫助。最近，美國FDA開(kāi)始測試三維“肝 臟類(lèi)器官”芯片，以檢測食品添加劑、營(yíng)養補充劑和化妝品中所使用化合物的肝**。

       4.為基因和細胞療法服務(wù)

       功能性類(lèi)器官移植（或來(lái)自類(lèi)器官的細胞）已出現在結腸、肝 臟、胰 腺、視網(wǎng)膜和甲狀腺等組織實(shí)驗中。不同層次的證據被用來(lái)支持其功能，包括與自然生理組織的形態(tài)相似性，宿主連接（通過(guò)血管或神經(jīng)突觸）性，上皮通透性以及治療能力等。

       基因組編輯也被用于糾正CFTR的突變，并恢復囊性纖維化患者結腸類(lèi)器官中CFTR蛋白的功能。未來(lái)的細胞療法，類(lèi)器官技術(shù)將會(huì )是細胞來(lái)源之一。然而，還需要更多的研究來(lái)評估這些方法的有效性和安全性，誘導多能干細胞帶到臨床的將是很重要的一個(gè)努力方向。

       類(lèi)器官技術(shù)的挑戰&未來(lái)

       盡管我們已經(jīng)在類(lèi)器官研究方面取得了非常顯著(zhù)的進(jìn)展，但該領(lǐng)域目前仍面臨著(zhù)諸多挑戰，包括制備方法的復雜多變和標準化的缺乏。所幸的是生物工程技術(shù)也在高速發(fā)展，給我們解決這些問(wèn)題提供了更多手段。

       1.類(lèi)器官的胞外基質(zhì)和細胞組成

       當前的高通量篩選主要依賴(lài)細胞和酶水平的篩選，但是動(dòng)物來(lái)源的特性和化學(xué)性胞外基質(zhì)之間的差異可能會(huì )干擾結果，商品化的基質(zhì)凝膠無(wú)法再現體內生物行為的動(dòng)態(tài)變化。在將基礎研究結果轉化為臨床應用的過(guò)程中，這些外源性風(fēng)險也會(huì )造成這樣或那樣的問(wèn)題，增加了藥物臨床開(kāi)發(fā)失敗的幾率?；|(zhì)工程技術(shù)可以根據需要改變胞外生理生化特性，合成外源差異較小的基質(zhì)，提高類(lèi)器官的重現性。

       缺少諸如血管形成、神經(jīng)支配等重要的生理過(guò)程體現，可能是類(lèi)器官研究的一個(gè)阻礙。雖然有些類(lèi)器官在移植時(shí)已形成血管化，但缺乏關(guān)于體外血管類(lèi)器官培養的報道。間質(zhì)-腫瘤的相互作用對腫瘤的發(fā)生和轉移具有重要意義，為了研究腫瘤的發(fā)生，在類(lèi)瘤細胞中加入了多種基質(zhì)成分，如免疫細胞、內皮細胞等。外周神經(jīng)系統在組織穩態(tài)和修復中起著(zhù)重要的作用，但很少在類(lèi)器官中表現出來(lái)。為此，最近的一項研究通過(guò)包括多功能干細胞來(lái)源的神經(jīng)嵴細胞，生成了具有功能性腸神經(jīng)系統的人體腸道類(lèi)器官。

       用來(lái)制造類(lèi)器官的原始材料可能會(huì )帶來(lái)可變性，從患者誘導的多能干細胞中提取的類(lèi)器官存在微小但可檢測的變異，這些變異取決于患者的年齡和遺傳背景以及研究組使用的培養方案。CRISPR-Cas9技術(shù)可用于設計具有同基因背景的類(lèi)器官，從而減少變異。其他的創(chuàng )新可以減少培養條件的變化，由于腫瘤的異質(zhì)性，由患者腫瘤產(chǎn)生的腫瘤種類(lèi)差異很大。培養基組成對腫瘤細胞和非腫瘤細胞的生長(cháng)也有不同的影響。對大量腫瘤樣細胞的系統研究和SENSOR研究可以回答關(guān)于這種變異如何影響臨床應用的問(wèn)題。

       2.類(lèi)器官的組織結構

       類(lèi)器官培養依賴(lài)于自組織（self-organization），有時(shí)會(huì )導致組織結構異常。組織結構可以通過(guò)提供由生物材料制成或用生物墨水打印的支架來(lái)改善。后一種技術(shù)已用于打印三維腎近端小管的可灌注組織芯片。這種“器官芯片”系統結合了微流體技術(shù)和類(lèi)器官技術(shù)，為生物力學(xué)變量和生物活性分子傳遞提供了精確的控制。這些系統可以促進(jìn)在組織水平上實(shí)時(shí)監測單細胞、細胞-細胞相互作用和代謝過(guò)程。然而，目前對類(lèi)器官的研究普遍缺乏這種實(shí)時(shí)監測能力。這種技術(shù)的發(fā)展需要工程和生物學(xué)家之間的密切合作。在未來(lái)，成熟的生物材料和生物打印商業(yè)平臺可能會(huì )加快發(fā)現的步伐。

       類(lèi)器官技術(shù)已與其它前沿科技有效地結合起來(lái)，當前挑戰的解決可能會(huì )進(jìn)一步提高類(lèi)器官概括人類(lèi)生理過(guò)程的精確性，最終使得類(lèi)器官技術(shù)在疾病模型和藥物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域取得長(cháng)足進(jìn)展。

點(diǎn)擊下圖，預登記觀(guān)展